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L'Analisi agli Elementi Finiti (FEA, Finite Element Analysis) è una tecnica di analisi numerica utilizzata nell'ambito ingegneristico per valutare il comportamento di componenti strutturali o sistemi complessi sotto diversi carichi e condizioni di carico in ambiente completamente virtuale. Nel contesto della manifattura, la FEA è ampiamente utilizzata per progettare e analizzare componenti meccanici, come parti di macchinari, utensili, dispositivi di fissaggio e altri elementi strutturali, nonché di una macchina nel suo complesso. Questo approccio consente di ottimizzare le prestazioni e contestualmente di ridurre il tempo di sviluppo, attraverso l’Ottimizzazione del componente. 

In questo ambito MUSP è in grado di realizzare (e di validare sperimentalmente):

  • modelli ad elementi finiti di tipo lineare e non lineare per l’analisi delle prestazioni statiche e per la valutazione del comportamento dinamico di strutture meccaniche;

  • modelli ad elementi finiti per la risoluzione di problemi transitori, anche multifisici;

  • modelli di tipo non lineare relativi a contatti, grandi spostamenti e simulazione di processi ad alte velocità di deformazione (forming o impatti ad alta velocità);

  • modelli per analisi termiche e termomeccaniche.

Negli anni MUSP ha creato un solido know-how per la modellazione di soluzioni con materiali avanzati, polimerici, polimerici caricati fibra, schiume metalliche, ecc., modellandone anche lo smorzamento per ottenere una risposta dinamica più aderente possibile alla realtà e abilitando la valutazione di tali soluzioni avanzate per i suoi clienti. MUSP possiede inoltre le competenze per modellare i movimenti dei componenti di un insieme, sempre in ottica di ottimizzazione delle prestazioni. Per questo tipo di simulazioni e ottimizzazioni si ricorre anche a ottimizzatori parametrici che considerano i fenomeni fisici piuttosto che indicatori dinamici (es. l’indicatore di prestazione per la modellazione di una macchina utensile può essere il diagramma di stabilità al chatter auto-rigenerativo in luogo della prima frequenza propria della macchina).

Strumenti

Linguaggi di programmazione e ambienti di calcolo (TOOL: SW_DEV)

All’interno di questo strumento sono raggruppati tutti gli ambienti di programmazione tecnici che MUSP utilizza per lo sviluppo dei progetti e/o servizi. L’utilizzo di questi linguaggi di programmazione o software di sviluppo permette, ad esempio, di dialogare con software commerciale tramite API per velocizzare lo scambio di dati e informazioni tra più piattaforme. Altri programmi vengono scritti per velocizzare analisi e calcoli che derivano da misure sperimentali o ancora servono a leggere/scrivere su bus di campo per le applicazioni legate alla manifattura avanzata. MUSP, a seconda delle esigenze dell’azienda, può realizzare fogli di calcolo o programmi di calcolo per velocizzare progettazione di componenti, programmazione di macchine, storicizzazione di misure e ottimizzazione di parametri processo che rispondano ad un problema tecnico molto focalizzato per l’azienda.

A titolo esemplificativo, non esaustivo, MUSP si serve ad esempio dei seguenti ambienti/linguaggi:

  • Python: linguaggio di programmazione ad alto livello, noto per la sua semplicità e leggibilità. Supporta paradigmi di programmazione multipli, inclusi il procedurale, l'orientato agli oggetti e il funzionale. MUSP lo utilizza prevalentemente per l’analisi di dati;
  • C++: linguaggio di programmazione di basso livello. Caratterizzato da efficienza e controllo diretto sull'hardware, è ancora ampiamente utilizzato per programmare sistemi embedded, software di sistema e applicazioni ad alte prestazioni;
  • LabVIEW: ambiente di sviluppo integrato sviluppato da National Instruments®, utilizzato principalmente per l'automazione di test, misure e controllo di sistemi industriali. Consente di creare applicazioni tramite un'interfaccia intuitiva basata su diagrammi di flusso, facilitando lo sviluppo di software per acquisizione dati e analisi in tempo reale;
  • ROS (Robot Operating System): framework flessibile per lo sviluppo di software per robot, fornendo servizi come astrazione hardware, controllo di dispositivi, implementazione di algoritmi e messaggistica tra processi. Grazie alla sua architettura modulare e alla vasta collezione di pacchetti open source, facilita la ricerca e lo sviluppo di applicazioni robotiche complesse, dalla prototipazione alla produzione.

Software FEA (TOOL: FEA)

Un software FEA (Finite Element Analysis) è uno strumento che consente di simulare il comportamento (dinamico, termico, ecc.) di strutture e sistemi complessi utilizzando il metodo degli elementi finiti. Il vantaggio è quello di poter progettare il componente e ottimizzarlo o conoscerne caratteristiche quali sforzi, deformazioni o rigidità in maniera preliminare rispetto alla realizzazione del componente reale.

In particolare, all’interno delle competenze ed esperienze MUSP vi è l’impiego di questi software, largamente utilizzati per la simulazione del comportamento dinamico dei sistemi di produzione e in particolare delle macchine utensili (per anticipare la risposta dinamica che avrà la macchina realizzata ed eventualmente variarne/ottimizzarne la progettazione). È stata utilizzata storicamente sia per gli alleggerimenti di strutture di macchine piegatrici, sia per gli impatti/urti non elastici di mezzi industriali in accordo alle specifiche del cliente. MUSP dispone inoltre di alcune caratterizzazioni di materiale quali fibra di carbonio, polimero stampato in additivo e schiume metalliche.

Software MultiBody (TOOL: MULTIBODY)

Un software MultiBody è uno strumento di simulazione che modella il comportamento dinamico di sistemi meccanici complessi, consentendo l'analisi dei movimenti, delle forze e delle prestazioni di macchine, veicoli o robot, facilitandone la progettazione e l'ottimizzazione.

Questa tipologia di simulazione è un’estensione della simulazione FEA in cui non viene preso in considerazione il singolo componente con i suoi vincoli ma l’intero cinematismo. Ad esempio, la deformazione (cedimento) di un robot antropomorfo dal basamento al suo TCP in funzione della posa oppure la cinematica complessa di un insieme di componenti di una macchina. 

Digital Twin (TOOL: DTWIN)

Il “Digital Twin” è una replica digitale di un oggetto, di un processo o di un sistema del mondo reale. Questo gemello digitale permette di monitorare, simulare e ottimizzare le prestazioni dell'oggetto o del sistema, consentendo una migliore comprensione del suo funzionamento e facilitando la presa di decisioni informate.

Il Gemello Digitale è un insieme ampio di concetti; nelle esperienze e competenze MUSP si sintetizza nell’utilizzo di strumenti digitali che, anche grazie alla presenza di sensori sull’oggetto virtualizzato, sono in grado di scambiare informazioni e mantenere aggiornato (o evidenziare scostamenti in caso di anomalie) tra il modello digitale (descritto in maniera analitica da una matematica) e quello reale (immerso in un contesto con diverse variabili non sempre prevedibili o controllabili soprattutto quando è industrializzato e operativo).

Analisi modale sperimentale (TOOL: EMA)

L'analisi modale sperimentale è un metodo di analisi che permette di studiare le caratteristiche dinamiche di una struttura attraverso opportune misure. I risultati permettono di analizzare le prestazioni derivanti dalla dinamica del sistema e di identificare eventuali problematiche che le limitano (es. cedevolezze concentrate). MUSP utilizza questo tipo di misure per esaminare il comportamento dinamico di centri di lavoro per asportazione di truciolo.

In particolare, le esperienze e le competenze MUSP sono rivolte sia a validazioni sperimentali (nel caso di progettazione FEA dinamica) sia nella ricerca/soluzione di problematiche di lavorazione che possono essere sia rappresentate da parametri di lavorazione non ottimizzati sia da non conformità nei componenti della macchina.